知識點一：引力波事件到底牛在哪？

1、得了諾貝爾獎的引力波探測器LIGO之所以厲害，是因為它抓住了武俠玄幻小說中“縮地成寸”的“實錘”。

2、物理學(xué)的真正進(jìn)步往往是實驗推動的，實驗技術(shù)之巧妙、實驗精度之高，才是最值得贊嘆的東西。

3、引力波讓物理學(xué)家多了一“感”，如果說以前物理學(xué)家都只能“看”，那他們現(xiàn)在也可以“聽”了。

4、這個宇宙喜歡“搞事情”，天文學(xué)是一門充滿刺激的科學(xué)。

北京時間2017年10月16日晚上十點，美國國家科學(xué)基金會召開新聞發(fā)布會，宣布了一個雙中子星合并的引力波事件。這是世界好幾個探測器通力合作的一次探測，而且特別值得一提的是中國的“慧眼”衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡也在其中起到了關(guān)鍵作用。

引力波是這幾年特別熱門的一個科學(xué)新聞關(guān)鍵詞，還剛剛得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎。16日的事件全世界的天文學(xué)家都激動了，但是一般人的確不太理解這為什么值得激動。微博有人說“每個字我都認(rèn)識，但不知道啥意思”、“以后如果不是發(fā)現(xiàn)外星人，請不要搞這么大動靜”……

這件事到底牛在哪。費曼有一次評論麥克斯韋電動力學(xué)的意義，是這么說的：“從人類歷史的長遠(yuǎn)觀點來看……幾乎無疑的是，麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電動力學(xué)定律將被判定為19世紀(jì)最重要的事件。與這一重要科學(xué)事件相比，發(fā)生于同一個十年中的美國內(nèi)戰(zhàn)，將褪色而成為只有區(qū)域性的意義了?！?/p>

這個引力波事件不能跟麥克斯韋的發(fā)現(xiàn)相提并論，但是大概也可以說這是2017年十月份世界上特別重要的事件 —— 其它的比如華為發(fā)布新手機，都只有區(qū)域性的意義。

那引力波事件到底有啥意義呢？

4.“縮地成寸”是真的

看什么武俠、玄幻小說，經(jīng)常說有一種功夫叫“縮地成寸”，也就是能把很遠(yuǎn)的距離變得很短，可能幾萬里、一步就邁過去了。這是拿物理*空間*開玩笑。

但是愛因斯坦說，物理空間真的可以變短。根據(jù)狹義相對論，高速運動的物體的長度，在低速運動的旁觀者看來，就會顯得短一些。但是請注意這只是這個物體相對變短了，而不是空間本身變短。想要讓空間本身的尺寸發(fā)生些許變化，就必須動用廣義相對論效應(yīng)。

引力波就是這樣的效應(yīng)。

用一句話概括廣義相對論，就是“時空告訴物質(zhì)怎么運動，物質(zhì)告訴時空怎么彎曲”。兩個大質(zhì)量的天體在很近的距離上繞著對方旋轉(zhuǎn)，速度越來越快距離越來越近，它們就會給周圍空間帶來一個“漣漪” —— 這就是引力波。

引力波是空間本身的波動！這就意味著，當(dāng)引力波傳到你這里的時候，你周圍空間就會發(fā)生這里變短了一點，那里變長了一點的情況！

得了諾貝爾獎的那個引力波探測器 LIGO 之所以厲害，就是因為它抓住了“縮地成寸”的“實錘”。

那我們這里的空間到底因為引力波而變長和縮小了多少呢？如果是4公里長的一段距離，大概被改變了10^(-18)米 —— 這個長度大約相當(dāng)于一個質(zhì)子的直徑的千分之一。而人頭發(fā)的寬度，大約是這個長度的十萬億倍！

這么小的變化，居然就被探測到了。

3.實驗精度之高

物理學(xué)家不可能用尺子去量這個距離。事實上就算真有一把無比精確的尺子也沒用，因為既然是空間本身被縮短了，你的尺子也會變短，根本量不出有什么變化。

物理學(xué)家的辦法是用光。如果一段距離變短了，那么光走過這段距離的時間就會變短，用這個原理行嗎？還是不行，因為變化實在太小根本探測不到。真正的辦法是利用光的干涉。

LIGO 探測器有兩個“手臂”，長度都是4公里，我們要測量的就是這兩條手臂的長度變化。兩條手臂互相成90度角，這樣等引力波來了，因為它們不在同一個方向，就不會一起變長或者變短，這樣你只要看看兩條手臂長度有什么差異變化就行了。

物理學(xué)家把一束激光用分光鏡一分為二，讓它們沿著探測器的兩個手臂分別前進(jìn)。兩個手臂的終點處各有一面反光鏡，再把兩束激光反射回來。兩束光再經(jīng)過一次折射，共同出現(xiàn)在一個屏幕上形成干涉條紋。

如果兩個手臂的長度絕對一樣，兩束光走過的距離就應(yīng)該完全相等，它們再次相遇的時候就應(yīng)該形成完美的干涉 —— 也就是有的地方互相抵消，有的地方共同加強。

但是如果手臂的長度發(fā)生任何小小的變化，干涉條紋就會對不上。

所以，你要做的就是把儀器調(diào)好，讓干涉條紋清清楚楚，然后等著。等到條紋突然對不上了，你就知道手臂長度一定發(fā)生了變化！那就有可能是一次“縮地成寸” —— 也就是引力波事件。

這個道理說著簡單，要做到可就太難了。LIGO 探測器的每條手臂都是4公里長，但是這個長度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以得讓光從中來回往返400次，等于增加長度。我估計確保兩條手臂一樣長并不算太難，因為并不需要完全一樣長，相差幾個整數(shù)波長也是可以的，只要慢慢調(diào)到一個完美干涉條紋就行。

最大的難點，大概是怎么確保鏡子的穩(wěn)定。如果鏡子稍微震動一下，干涉就沒有了 —— 那你怎么知道到底是引力波來了讓空間長度變化了呢，還是僅僅是鏡子動了一下呢？

為了把一切震動都排除在外，在 LIGO 附近的汽車都不能開太快，限速是每小時16公里！就算排除了人為的震動，你還要考慮地球時刻都在發(fā)生小地震！所有這些因素都要探測和計算到。

為了去除震動的影響，物理學(xué)家實際上是做了兩個探測器，一個在路易斯安那州一個在華盛頓州，要求只有兩個探測器同時都感知到的情況下，才可算是一次值得重視的事件 —— 總不能同時有兩輛車在兩個探測器旁邊按照同樣節(jié)奏跑過吧。

得下這么大的功夫，才能探測到引力波。

物理學(xué)的真正進(jìn)步往往是實驗推動的，而實驗背后的技術(shù)手段，才是最值得贊嘆的東西。

如果對實驗物理學(xué)家的英雄事跡感興趣，現(xiàn)在有本書叫《引力波: 2017年諾貝爾物理學(xué)獎獲獎LIGO團(tuán)隊的“巨星”故事》，作者是珍娜·萊文 (Janna Levin)，已經(jīng)出了中文版，其中講了科學(xué)家怎樣克服重重困難建成了 LIGO。

費這么的大勁，物理學(xué)家可不僅僅是為了證明愛因斯坦是對的。

2.物理學(xué)家多了一“感”

用中國人愛說的詞兒，有的進(jìn)步叫“取得新成就”，有的進(jìn)步叫“開創(chuàng)新局面”，有的進(jìn)步叫“新的歷史起點” —— 引力波事件必須得算“新的歷史起點”。

這是因為引力波等于是讓物理學(xué)家多了一個“感”。這就好比說，以前物理學(xué)家都只能“看”，只有視覺 —— 而現(xiàn)在多了一個“聽覺”，還可以聽了。

物理學(xué)家探測宇宙的主要手段是用光波，嚴(yán)格地說是電磁波，包括可見光、x 射線、伽馬射線、無線電波等等，偶爾還可以用中微子。但是如果有一種宇宙事件既不發(fā)出電磁波，也沒有什么中微子，那你怎么探測呢？

比如黑洞就是這樣。在此之前，物理學(xué)家只能用間接的手段判斷哪里有黑洞 —— 比如說黑洞周圍天體的運動軌道會因為黑洞而改變，如果黑洞周圍有物質(zhì)、這些物質(zhì)向黑洞掉落的過程中可能會發(fā)出電磁輻射。一方面這種探測不是直接的，另一方面，如果黑洞周圍恰好沒有別的可見物質(zhì)，那就無法探測了。

而有了引力波，你就有可能直接探測到黑洞。引力波這個工具已經(jīng)把物理學(xué)家對黑洞的探測整整推進(jìn)了一大步，請看下圖 ——

圖中數(shù)值是一個黑洞相當(dāng)于多少個太陽的質(zhì)量。在 LIGO 之前，能明確知道質(zhì)量的黑洞就只有一二十個，而且還都是比較小的。而 LIGO 剛出來兩年，就已經(jīng)找到了至少確定了九個黑洞，而且其中大多數(shù)都非常大。

宇宙中黑洞分布的情況是怎么樣的？黑洞的質(zhì)量一般都是多大的？黑洞和黑洞合并這樣的大事件是否經(jīng)常發(fā)生？這些問題的答案就得靠引力波告訴我們。

再進(jìn)一步，如果將來進(jìn)一步提高引力波探測的精度 —— 已經(jīng)有計劃在外太空弄一個引力波探測器 —— 物理學(xué)家也許可以探測到一些很小的黑洞。這些小黑洞的意義重大，它們僅僅是以質(zhì)量的形式待在那里，無法用別的方式探測到 —— 那么，它們是不是“暗物質(zhì)”問題的答案呢？

那么這個雙中子星合并的引力波事件，不涉及黑洞，它的意義在哪里呢？也許它最大的意義是讓物理學(xué)家明確知道，現(xiàn)在自己的引力波探測手段是可靠的。

之前，所有的引力波事件都是黑洞事件，而黑洞是無法用別的手段探測的 —— 這就等于說，全班同學(xué)這么多人，只有你算出來一個答案，那你這個答案對不對，是不是瞎蒙的，誰知道呢？要知道引力波引起的空間變化也實在太小了，萬一你那個儀器有問題呢？

現(xiàn)在中子星合并這個事件，不但會導(dǎo)致引力波，還會有電磁波的輻射，而電磁波輻射是可以用別的手段探測到的。這就給了全世界天文學(xué)家一個交叉驗證的機會！你用這個方法測到了，我用完全不同的另一個方法也測到了，咱倆一對數(shù)結(jié)果是一樣的，那就證明咱倆都是對的。所以如果以前還有人質(zhì)疑的話，現(xiàn)在大家應(yīng)該都放心了。還要再強調(diào)一句，咱中國的衛(wèi)星，也參加了這次交叉驗證。

而這一切都是剛剛開始。歷史上每個新的探測手段出來都會帶給物理學(xué)家新的物理發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在有了引力波這個多出來的一“感”，物理學(xué)家將來還不知道會有什么驚人的發(fā)現(xiàn)。

不過現(xiàn)有的發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)足夠了不起了。

1.這個宇宙喜歡“搞事情”

如果把這個宇宙比喻成一個小城市，而你是這座城市的市長的話，你可能會非常非常操心。你的市民很喜歡搞事情。這種事情可不是什么今天誰家孩子考上大學(xué)，明天哪個公司上市之類的小事兒，而是類似明天有個公司發(fā)布新產(chǎn)品，當(dāng)天就把周圍好幾個公司給吞并了，瞬間產(chǎn)值比全市 GDP 還高好幾倍這種不可思議的事情。

2015年 LIGO 第一次探測到引力波，是一個質(zhì)量相當(dāng)于太陽的29倍的黑洞，和一個質(zhì)量相當(dāng)于太陽的36倍的黑洞合并。這兩個黑洞在合并前的距離只有數(shù)百公里，互相繞行的速度接近了光速。合并之后，變成一個質(zhì)量相當(dāng)于太陽的62倍的大黑洞 —— 那剩下的那差不多3倍太陽的質(zhì)量哪去了？變成了引力波的能量！

兩個黑洞合并那一瞬間釋放的能量，相當(dāng)于天上突然多了10^21個太陽。

所以如果宇宙是一個社會的話，這個社會里的人喜歡玩大的。他們的生活特點是今天你爆一個明天我爆一個，動不動就是波及整個社會的大事件。

天文學(xué)，是個充滿刺激的科學(xué)。

知識點二：科幻小說中的物理學(xué)

問題一：在小說《三體》里，人類在22世紀(jì)掌握了可控核聚變。請問在2018年，擋在人類和可控核聚變之間的最大障礙是什么？是真的有無法突破的理論難題，還是設(shè)備工藝無法達(dá)到？還是說，其實沒有科學(xué)障礙，人類只是缺少利益驅(qū)動去完成它？

～～～現(xiàn)在基本可以說，可控核聚變一定可行，不只是科幻。

實現(xiàn)核聚變，只要把氫原子的兩個同位素 —— 氘和氚 —— 加熱到一個特別高的溫度，比太陽溫度還高，并且保持一定的密度就行?，F(xiàn)在加熱沒問題，問題就在于在這么高的溫度之下，氘和氚的原子核會到處亂跑，不能總聚在一起去反應(yīng)，所以我們要想辦法把它們約束在一個地方。

現(xiàn)在可控核聚變最主流的基本原理，是用一個叫做“托卡馬克”的裝置，就好像是一個面包圈一樣的籠子，里面加上強磁場，用磁場去約束它們。高溫之下的氘和氚都變成了帶電的“離子” —— 而離子，又會沿著磁力線運動。這樣我們只要把磁力線變成一個圈，氘和氚就會在裝置內(nèi)部的空中繞圈，就等于約束住了。

但是物理學(xué)不會這么輕易地把好東西給你，離子繞圈旋轉(zhuǎn)的時候會有很多“不穩(wěn)定性”，你必須想辦法消除這些不穩(wěn)定性。

但是大自然也給了我們驚喜，就是在一定的條件下，某些不穩(wěn)定性會消失，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。所以現(xiàn)在物理學(xué)家做的事兒就是擺弄磁場的形狀、或者往里面加點什么東西，讓約束能夠長期平穩(wěn)地運行。

這里面涉及到很多工程技術(shù)難題，但主要還是“科學(xué)” —— 也就是說各國都不保密、約束方法也沒什么專利，大家做出來什么知識都共享。

研究中好消息不斷，但問題在于物理學(xué)是個實驗科學(xué)，我們必須做很多實驗才行。目前尚在運行的實驗裝置都比較小，需要做個大的。有個各國合作的大裝置，叫 ITER，總投入比大型強子對撞擊還大，但是造了好多年還沒造成。中國政府正打算造自己的大裝置，用中國速度推進(jìn)。

所以說白了就會只要肯花錢，就一定能做出來。問題就在于現(xiàn)在的能源需求是否迫切到了愿意花這么多錢搞核聚變的程度。而這就不是物理學(xué)的問題了。

問題二：在羅伯特·索耶的科幻小說《計算中的上帝》里。他描寫了兩種和人很相似的外星人造訪地球的故事。這兩種外星人告訴人類，整個宇宙的生物身體結(jié)構(gòu)都是非常相似的，大家都是由 DNA 和氨基酸構(gòu)成。遍尋宇宙里的生物，也不會有其他形式的生命存在。

在真實的世界里，有的科學(xué)家贊同這個觀點。諾貝爾獎獲得者生物學(xué)家喬治·沃爾德就對他的學(xué)生說：“在地球上把生物和化學(xué)學(xué)好，是值得的，因為將來你也可以通過在銀河系之外舉行的生物化學(xué)考試?！?br>

為什么說 DNA 雙螺旋可能是宇宙唯一的生命架構(gòu)方式？

～～～這絕對是一本嚴(yán)肅的科幻小說。宇宙浩瀚，星球多種多樣，但有幾個一般的結(jié)論，你得承認(rèn)。

首先是物理定律到處都一樣。這就意味著這個宇宙里只有元素周期表上那些元素，而這些元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的方式到處都一樣。

其次是宇宙各個地方?jīng)]有本質(zhì)的差別。這不是一種“信念”，而是一個事實 —— 是因為宇宙起源于大爆炸，而大爆炸炸得相當(dāng)均勻！宇宙各個方向上沒有什么大的不同，100億光年以外的地方，跟我們這里應(yīng)該差不多。

還有，要想組成生命體，你就必須要有特別大的大分子，要有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)才行。并不是所有元素都適合組成大分子，你考察整個元素周期表，也就是碳和硅可以在這個大分子之中充當(dāng)連接者的角色。地球上硅比碳多，但地球溫度環(huán)境下硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，難以組成大分子。如果有硅基生命的話，必定是極高的溫度條件下。但考慮到整個宇宙中碳比硅多十倍，一個環(huán)境適合還有很多硅的星球恐怕難以找到。生命最可能是基于碳的。

再者，化學(xué)反應(yīng)需要一定的溫度，還需要一定的溶劑。而你遍觀整個化學(xué)，最好的溶劑就是水，最好的溫度就是地球溫度。讓大分子能夠復(fù)制，理論上最合適的方法就是 DNA。也許還有一些小分子的生命，但那一定是特別簡單的、什么單細(xì)胞的形式。

所以這并不是地球人的偏見，也不是科學(xué)家沒有想象力。這就好像1+1必須等于2一樣，是科學(xué)規(guī)律決定了，生命只能如此。

再進(jìn)一步，既然生命都是碳水化合物，我們甚至可以推測，有智慧的外星人的身高，也跟我們差不了多少。

問題三：在很多科幻小說里，都描寫了“機器人覺醒”的情節(jié)。在丹尼爾·丹內(nèi)特的思想：人的意識和機器意識沒有本質(zhì)區(qū)別。

但目前比較火的量子生物學(xué)家Jim Al-khalili 認(rèn)為有本質(zhì)區(qū)別，因為生物的意識，甚至生物本身必須建立在量子態(tài)的基礎(chǔ)上。如果Jim Al-khalili的理論正確的話，那人類就不可能造出真正的人工智能。任何更高級的生命形式，都必須以碳基生命體為最基礎(chǔ)的磚石。萬老師你怎么看這個問題？你有自己的傾向性嗎？

～～～這還只是一個假說。是，生物體的一些機制跟量子力學(xué)有關(guān)，比如說植物光合作用，現(xiàn)在已經(jīng)被證明其中有量子力學(xué)的效應(yīng)。但是人的意識是不是也一定要用到量子力學(xué)效應(yīng)才能產(chǎn)生，這個現(xiàn)在沒有證據(jù)。

可能關(guān)鍵在于人腦到底是不是等價于一臺“圖靈機”。如果從數(shù)學(xué)上講，人腦是圖靈機，那不管多復(fù)雜，它就是一臺普通的計算機，完全可以模擬。

有量子力學(xué)的效應(yīng)也不見得就不能人造。比如現(xiàn)在我們已經(jīng)有量子計算機了，而我們可以從數(shù)學(xué)上證明，所謂量子計算機，雖然有量子效應(yīng)，也是可以用圖靈機模擬的，無非就是再加上一個隨機數(shù)產(chǎn)生器而已。

那到底是什么樣的人腦，是不等效于圖靈機+隨機數(shù)產(chǎn)生器呢？圖靈機的本質(zhì)是執(zhí)行規(guī)則的機器，需要要求規(guī)則是有限的。而彭羅斯這一派人認(rèn)為，人腦有一個“跳出規(guī)則”的能力，大約相當(dāng)于我永遠(yuǎn)可以主觀地決定執(zhí)行還是不執(zhí)行這些規(guī)則，我永遠(yuǎn)有自由意志。但哲學(xué)家完全可以說，你那個自由意志其實也是規(guī)則決定的，你只不過意識不到而已。

量子力學(xué)效應(yīng)好像不能解決這個問題。因為量子力學(xué)效應(yīng)是完全隨機的！就算我能時而跳出來，行使自由意志，但是我的決定完全隨機，我還是不能控制它，那不等于我還是沒有自由意志嗎？

除非將來人們對量子力學(xué)的這個隨機有別的理解。所以，如果真的是量子力學(xué)效應(yīng)對大腦意識至關(guān)重要，那么當(dāng)我們進(jìn)一步理解意識的時候，我們也要重新理解量子力學(xué)。而事實上，這正是量子力學(xué)爭論的焦點。

問題四：在特德·姜的科幻小說《你一生的故事》里，他描寫了光的“折射現(xiàn)象”。如果不涉及量子理論，光的折射可以用費馬定理解釋：光總是走最快到達(dá)的路。

除了光的折射，世界上也有其它事物，似乎遵循著“一切從簡”的規(guī)律，比如火山巖漿板結(jié)之后形成的“柱狀節(jié)理”，幾乎都呈現(xiàn)六邊形，因為這樣凝結(jié)耗費的能量最少。

那從這個角度看，是不是可以說，“宇宙”是個有性格的家伙？他最討厭浪費時間，他辦事非常簡練，絕不拖泥帶水，絕不做無用功。

那這些所謂的“性格”真的存在嗎？這些“性格”可以算是宇宙的“意識”嗎？

～～～這是一個非常有意思的問題！物理學(xué)家把這個現(xiàn)象稱之為“最小作用量”原理。像光的折射，一方面你可以說它要符合入射和反射的物理定律，但另一方面你也可以找到一個“作用量”，說光線是選擇了讓這個作用量最小化的路線。

從數(shù)學(xué)角度這個現(xiàn)象是可以理解的。每個物理定律都可以寫成微分方程，那么從數(shù)學(xué)上你就可以把它變成積分方程，然后你可以從中推導(dǎo)出來一個作用量，并且聲稱物理定律就是要讓這個作用量取最小值（也可能是最大值）。

但是從物理學(xué)甚至是哲學(xué)的角度，有沒有可能，作用量比微分方程更基本呢？是不是大自然總是在試圖“優(yōu)化”這些作用量呢？

優(yōu)化作用量僅僅是物理定律的一個數(shù)學(xué)形式。但是另一方面，所謂性格和意識，難道不也是數(shù)學(xué)形式嗎？泰格馬克《生命3.0》這本書里，就提出一個看這個問題的角度——

你完全可以把它*當(dāng)做*，這個宇宙就是有意識有性格，它就想優(yōu)化作用量。

事實上，當(dāng)一個人做一件事的時候，你也無法區(qū)分到底是他本人有這個目的去做這件事，還是他本人是受到物理定律的支配去做這件事。有目的有性格和受支配，從物理學(xué)角度來說根本就是無法區(qū)分的。

你可以說這是微分方程，也可以說這是作用量。你可以說這是物理定律，也可以說這是宇宙的性格。宇宙的性格就是宇宙的物理定律。